Возмущения атмосферы при обтекании гор Кожевников, Валентин Николаевич

Введение к работе

Диссертация посвяшена теоретическому и экспериментальному пс-тедованпю динамики взаимодействпя движущейся атмосферы с не-овностямп земли среднего масштаба. При этом основное внимание эращается на локальные особенности данного явления.

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Изучаемое явление среди зогпх других среднемасштабных атмосферных процессов пмеет су-іественное преимущество, состоящее в том, что ИСТОЧНИК ВОЗМ}ТДЄНПЙ -еровность земли остаётся неизменным во времени. Благодаря этому, анное явление исследуется более активно и зхпешно, нежели многие ругие. Одновременно успехи в этой области позволяют яснее пред-тавлять трудности в изучении других локальных явлений.

Исследования данной проблемы ведутся уже многие десяткп лет. Іпсло опубликованных по этой теме работ составляет несколько ты-яч, причём подавляющая часть их опирается на теоретическое монтирование, использующее предположение о малости возникающих, іозмущєнпй (лпнейные модели). Однако в последние годы сталп от-іавать предпочтение нелинейным моделям, которые учитывают нема-гость возм}тценпй. В таких исследованиях в силу их сложности при-:одптся ограничиваться рассмотрением ряда частных сптуашш в ат-юсфере, например, применять двумерное стационарное приближение. Гакпх работ опубликовано относптельно немного. Ешё меньше среди шх исследований, которые в должной мере обращают внимание на не-'пдростатпчность возмущений и на возможность их распространения ю больших высот. Совсем мало при этом работ, которые учитывают рорму реальных гор и сочетают теоретпческпе расчёты с прямыми іаблюденпямп в природе. Диссертация включает цикл работ, которые іменно с этих сторон дополняют псследованпя других авторов.

Проведённые псследованпя показали насколько велики в.озмушения атмосферы при обтекании гор. Вертикальные смешения частиц воз-гуха, например, сравнимы с высотой гор и мог}'т даже заметно пре-юсходпть их. т.е. составлять 1-3 км. Волновая энергия этпх возму-денпй становится нередко сравнимой со всей кинетической энгрглел

натекающего потока. В результате даже для таких относительно не высоких гор, как, например, Урал, плотность вертикального потокг волновой энергии достигает 100 и более вт/м², а напряжение трешь за этот счёт следует опенпвать величиной в 1 - о Н/м~, что в десяти раз превышает соответствующие величины от мелкомасштабных "ше роховатостеп" земли, учитываемых пока в прогностических схемах Поскольку неровности земли с относительными высотами более 50( м покрывают значительную часть всей территории суши, очевидно что рассматриваемые возмущения совершенно необходимо учптыват: как при решении проблемы локального краткосрочного прогноза пого ды, так и в задачах, связанных с крупномасштабными атмосферным] процесса-"МИ, в том числе с теорией климата. Отсюда ясно, наскольк актуальны исследования этой проблемы.

Кроме того, получаемые здесь знания позволяют повысить каче ство решения ряда частных, но очень важных для практики задач, : среди них таких, как обеспечение безопасности полётов над горным: районами, предупреждение о возможности катастрофических ветро в таких районах вблизи земли, проведение оценок воздействия гор н стратосферный озон земли и т.д.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Основными задачами были следующие.

1. Изучение общих физических закономерностей и особенносте
явления обтекания гор с учётом немалости возмущений (нелпнеі
ность), стратифицированное и вертикальной протяжённости атм<
сферы.

1. Создание набора теоретических моделей, позволяющих эффектш но с разных сторон изучать поставленную проблему.

2. Разработка методов проведения оптимального сочетания теор тпческого моделирования с анализом прямых измерений в природе.

3. Изучение возможностей применения разработанных теоретпч екпх моделей для решения важных для практики задач.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В диссертации получен следующие новые (основные) результаты, выносимые на защиту: 1. Построена открытая аналитическая нелинейная модель обтек

нпя горы простой геометрической формы (полукруга) п на её основе выяснены главные физические аспекты этого явления в атмосфере.

4. Решена задача обтекания реальных протяжённых двумерных горных рельефов однородным по скорости и устойчивости стратифицированным потоком, неограниченным по высоте.

5. Создана трёхслойная открытая аналитическая нелинейная модель обтекания горы реальной формы, учитывающая послойные разрывы устойчивости в натекающем потоке, которая позволяет не только улучшить моделирование рассматриваемых эффектов в тропосфере, но и в стратосфере.

4. Создана методика совместного использования средств теорети
ческого моделирования и прямых пзмеренпп в природе, в первую оче
редь собственных измерении пространственновременных характери
стик облачностп.

о. Подготовлено создание принципиально новой модели обтекания, которая позволпт в блпжапшем будущем сделать прорыв в изучении ролп вертикальных изменений скорости и устойчивости натекающего потока.

G. На основе теоретических расчётов, прямых измерений в природе и совместного анализа этпх результатов установлены следующие важнейшие закономерности рассматриваемого явления. Амплитуда возмущений сравнима с высотой горы, а при появлении внутри течения вихрей может даже превосходить её в несколько раз. В поле возмущений проявляется не только собственный характерный масштаб натекающего потока, но п масштаб формы неровностей землп. Энергия возникающих внутренних гравитационных волн сравнима с полной кинетической энергией натекающего потока, а плотность её потока вверх над такими горами, как, например, J-'рал, порядка 100 вт/м-.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается хорошим согласием их со многими частными результатами других авторов. Однако наибольшую ценность имеет то, что все главные выводы подтверждаются результатами экспериментальных измерений в природе, в особенности собственных экспедиционных измерений полей

облачности.

Практическая ценность полученных в диссертации результате определяется следующим. 1) Созданный пакет аналитических нелі непных моделеп позволил разобраться в недостатках п преимущества различных моделей и, в частности, важности учёта такпх факторої как форма реальных протяжённых горных систем, роль вертикальне протяжённости и структуры атмосферы. 2) Созданный пакет моделе открывает возможности перехода к численному моделпрованпю явлі нпя, как более универсальному. 3) Открываются возможности примі нения созданных моделей для решения важных для жпзненой практі кп задач и среди них таких, как оценка степени безопасности полёте авиации над горами, предсказание особо опасных ветров вблизи землі решение проблемы параметризации формы реальных горных систем т.д. 4) Созданные модели и средства наблюдений, а также методиь пх совместного применения позволяют ещё более плодотворно в дал: неишем изучать данное сложное природное явление. 5) Установлены, закономеростп не оставляют сомнении в том, что орографические эс фекты совершенно необходимо учитывать во многих других задачг физики атмосферы и метеорологии п в первую очередь при прогноз: рованпи погоды п разработке теории климата. В частности, очевпдн будет полезно использовать предложенную в диссертации форму п раметрпзашш орографии.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. По частям материалы дпесерташ докладывались на многочисленных семинарах, как в МГУ, так и ві его, не менее 10 раз на Ломоносовских чтениях, не менее 18 раз і различных конференциях и школах, в том числе на Всесоюзном с вещании "Гидродинамические и статические методы локального пр гноза погоды п проблемы мезометеорологпн" в Новосибирске в 19' году, Всесоюзном совещании по горной метеорологии в Киеве в 191 год)-, III Всесоюзной школе "Методы гидрофизических псследованш в Светлогорске Калининградской области в 1989 году, Междунаро ной конференции "Анизотропия потоков жидкости в поле внешних сі п в геофизике" в Рпге в 1990 году, Международной конференцій! "Ге фпзпка и мы" в МГУ в 1993 году. Данные исследования проводили в рамках координационных планов АН СССР по международной пр

грамме ПИГАП, подпрограмме "Альпийский эксперимент" по направлениям "Метеорология и фпзпка атмосферы", "Механика", "Охрана окружающей среды".

ПУБЛИКАЦИИ. Практически все материалы дпссерташш опубликованы в работах [ 1 - IS ].

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Все теоретические модели разра-батыва лпсь автором лично, реализация моделей на ЭВМ осуществлялась при его личном участпд и под его руководством совместно с соавторами. Методпки измерения облачности разрабатывались сотрудниками руководимой пм научной грз'ппы. Методики сопоставления Teojje-тпческих и экспериментальных данных создавались п использовались в исследованиях под его руководством. Основная часть экспедиционных измерений в прпроде также проводилась под его руководством п при личном участпп.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, примечание, список литературы из 99 наименований. Общий объём составляет 166 страниц, включая 10 таблпц и более 60 рисунков.